三极管学习教程.pptx

《三极管学习教程.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三极管学习教程.pptx（94页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第1 章 半导体1.2 三极管及基本放大电路晶体三极管的结构 工作原理 管脚排列方式晶体三极管的特性曲线参数及检测放大器的一般概念基本放大电路第1页/共94页 半导体三极管又称为晶体三极管，后面简称为晶体管，它与二极管一样也是非线性器件，但其主要特性上是截然不同。二极管主要是单向导电性，而晶体管的主要特性与其工作模式有关。当三极管工作在放大模式时，它对信号的电流、电压具有放大作用，从而构成放大器；当三极管工作在饱和和截止模式时，它相当于一个受控开关，从而构成无触点开关电路。第2页/共94页晶体三极管的结构 工作原理 管脚排列方式1.晶体三极管的结构 在一个极薄的硅或锗的基片上制造出三个掺杂区（

2、三层半导体）形成两个PN结，就构成了晶体管。从三层半导体上各接出一个引线，就是三极管的三个电极，再封装在管壳里就制成了三极管。三个电极分别叫发射极E、基极B、集电极C，对应的每层半导体分别称为发射区、基区、集电区。发射区与基区交界处的PN结叫发射结，集电区与基区交界处的PN结叫集电结。依据基区材料是P型还是N型半导体，三极管有NPN型和PNP型两种类型。它们的基本结构及符号如图所示。第3页/共94页第4页/共94页2.工作原理 当三极管的发射结作用正向电压（又称正向偏置）而集电结作用反向电压时，三极管的基极电流对集电极电流有控制作用。IB0发射结正偏IB=0发射结反偏IB0集电结正偏IB=0集

3、电结反偏第5页/共94页IB=0两个PN结总有一个反偏UBBUCC，IB0 IC0发射结和集电极正偏，IC不受IB控制。UBBUon第18页/共94页发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间电压 UCE0.7V饱和区饱和区:uCE=uBE(uCB=0）晶体管处于临界状态。饱和压降UCES饱和压降UCES：硅管0.3V，锗管0.1V第19页/共94页击穿区:发射结正偏,集电结反偏随着UCE的增大，加在集电结上的反偏电压增大，超过一定数值时，集电结发生击穿。第20页/共94页晶体三极管的输出特性曲线在放大器中，晶体三极管工作在放大区；在开关电路中，晶体三极管工作于饱和区和截止区。第21页

4、/共94页2.晶体管的检测（1）用万用表判别管脚的极性第22页/共94页三极管的结构示意图第23页/共94页三极管的管脚判别第24页/共94页2.晶体管的检测（2）晶体管好坏的大致判别 根据晶体管PN结的单向导电性，我们可以检查各极间PN结的正反向电阻，如果相差较大，说明管子基本是好的；如果正反向电阻都较大，说明管子内部有断路或PN结性能不好；如果正反向电阻都小，说明管子极间短路或击穿了。注意：用万用表测晶体管，不宜用RX1挡，因为电表内阻较小，流过晶体管电流较大；也不宜用RX10k挡，这挡电压高，可能损坏一些低反压小功率晶体管。第25页/共94页放大器的一般概念放大器的基本概念放大器的应用1

5、、放大器的基本概念放大现象存在于各种场合：其共同特点是：将“原物”形状或大小按一定比例放大；放大前后能量守恒放大镜放大微小物体利用杠杆移动重物变压器将低电压变换为高电压第26页/共94页2、放大器的应用 例如：u放大的对象：u放大的本质：u放大的特征：u放大的基本要求：不失真变化量能量的控制和转换功率放大线性工作区电压或电流有源元件正弦量第27页/共94页基本放大电路第28页/共94页放大电路方框图1221任何放大电路均可看成为两端口网络。信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流第29页/共94页 晶体管 放大电路共射放大电路共基放大电路共集放大电路(1)必须具有一个能起到控制、放大作

6、用的器件晶体管或场效应管；(2)保证不失真的放大工作在线性放大区（晶体管）或恒流区（场效应管）NPN:发射结正偏 集电结反偏电路的组成 保证被放大的交流信号有合适的传输通道。(3)放大的是变化量第30页/共94页+-uiVBBTVCC-uo+RbRc加入动态信号 ui 后：ui=0时，称放大电路处于静态。VCC、VBB 保证晶体管工作在线性放大区，IBIC晶体管c-e之间电压UCEui uBE iB iC uRC uCE（uo）ce=VCC-ICRC此时 IC=IB。第31页/共94页各元件的作用VBB、Rb：VCC、Rc：保证晶体管工作在放大状态+-uiVBBTVCC-uo+RbRc晶体管T

7、：放大信号、控制能量使集电极电流的变化转换为电压的变化；向被放大的输出信号提供能量。使UBE Uon，且有合适的IB。使集电结反向偏置，第32页/共94页 输入电压ui为零时，将晶体管各极的电流、b-e间电压以及c-e间电压称为静态工作点Q。-UCEQ+各处电压电流值记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。IBQICQ-UBEQ+放大的对象是动态信号，为什么却要晶体管在信号为零时有合适的静态工作点？VBBVCCRbRcquiescent 设置静态工作点的必要性第33页/共94页 输出电压必然失真！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？要解决失真

8、问题，必须设置合适的静态工作点+-uiT-uo+RcRb+VCCuit0iBUonuBE第34页/共94页oiB uBE QuBE toUBE ui (ube)Q1Q2oiB tIB (ib)uCE oIBiCQQ1Q2iCotIC(ic)uCE toUCE (uce)uo第35页/共94页 实际放大电路中，为了防止干扰，常要求输入 信号、直流电源、输出信号均有一端接在公共端，称为“共地”+-uiVBBTVCC-uo+RbRc第36页/共94页1、信号源与放大电路不“共地”2、两个电源将两个电源合二而一共地静态时，动态时，b-e间电压 是ui与Rb1上电压之和。%、直接耦合放大电路+-uiVB

9、BTVCC-uo+RbRc+-uiT-uo+RcRb1+VCCRb2RL问题：信号损失Rb1不可去掉、第37页/共94页耦合电容的容量应足够大，静态时，C1、C2上电压？动态时，C1、C2为耦合电容！UBEQUCEQuBEuiUBEQ，信号驮载在静态之上。%、阻容耦合放大电路耦合电容使负载上只有交流信号。+-ui-uo+Rc+VCCRbC1C2RL即对于交流信号近似为短路。“隔离直流、通过交流”。对于直流信号近似为断路。第38页/共94页共发射极基本放大电路第39页/共94页PNP组成的共发射极放大器第40页/共94页%、放大电路的分析方法 放大电路 分析静态分析动态分析近似估算法图解法微变等

10、效电路法图解法计算机仿真确定放大电路 的静态值放大电路对信号的 放大和传输能力第41页/共94页 通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的1、直流通路和交流通路 为简化，将它们分开作用，作用共存，电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。这使得电路的分析复杂化。引入直流通路和交流通路。第42页/共94页u直流通路电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。电容开路；只考虑直流信号的分电路 信号源置零，保留内阻；开路开路Rb+VCCRcRb+VCCRcC1C2Tui+UCEQIBQICQ用于研究静态工作点第43页/共94页u交流通路直流电源相当于短路大容量电容相当于短路；只考虑交流信号

11、的分电路（内阻为0）短路短路置零接地RbRcuiuoRb+VCCRcC1C2Tuiuo用于研究动态参数第44页/共94页2 图解法（一）、静态工作点的分析 实际测出放大管的输入特性、输出特性和已知放大电路中其它各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大电路进行分析即为图解法 输入电压ui=0，IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。近似估算法:图解分析法：画出直流通路，在此电路上进行近似估算oiBuBEUBEQIBQQiCuCEoIBQICQUCEQQ第45页/共94页（1）、用近似估算法确定Q点直流通路IBIC+UBE+UCE VCC =RbIB +UBE VCC =RcIC +UCE

12、晶体管工作在线性放大区时：硅管：|UBE|=0.60.8V 锗管：|UBE|=0.10.3V 当VCC大于10V时，UBE可忽略。IC IB+-uiT-uo+Rc+VCCRbC1C2+RbRc+VCCRbRcVCCIBIC+UBE+UCE UBE 第46页/共94页iBiCiE+uCE-+uBE-从输入回路看iB与uBE的关系满足：常数输入特性直线方程uBEiBoQUBEQIBQUBEQ、IBQ通常采用估算法确定IBQ。输入回路负载线（2）、用图解法确定Q点+-ui-uo+RcRbC1C2+第47页/共94页 从输出回路看iC与uCE的关系满足：常数iCuCEoIBQQUCEQICQUCEQ、

13、ICQ直线方程的斜率 与集电极负载电阻Rc有关，故称之为直流负载线iBiCiE+uCE-+uBE-+-ui-uo+Rc+VCCRbC1C2+输出特性直线方程第48页/共94页例题2043212 4 6 8 10 12iC(mA)uCE(V)06080IB=100A040利用图解法求静态工作点。解：估算IBQ VCC=12VIBQ令IC=0，则UCE=VCC=12V令UCE=0，则IC=VCC/RC=3mAQ1.5IBQ=40AICQ=1.5mAUCEQ=6V300k 4k +12V iBiCiE+uCE-+uBE-+-ui-uo+Rc+VCCRbC1C2+第49页/共94页图解法静态工作情况

14、当VCC一定时，静态工作点Q在直流负载线上的位置，取决于静态基极电流IBQ，而IBQ的大小由偏置电阻RB决定。第50页/共94页图解法静态工作情况 当其它条件不变，集电极电阻RC的变化时，直流负载线的斜率变化，引线Q点移动。第51页/共94页图解法静态工作情况 当其它条件不变，仅改变电源电压时，则负载线的向右（或向左）平移，但斜率不会改变。例如：M2N2直线。第52页/共94页电压放大倍数的分析 u输出电压与输入电压变化相反uQ点位置对Au的影响第53页/共94页%、直流负载线与交流负载线 （1）、直流负载线 阻容耦合放大电路在工作时，静态时，负载对电路的工作状态 没有影响，直流负载线方程为：

15、iC(mA)2043212 4 6 8 10 12 uCE(V)0IB=406080100直流斜率 Q+-ui-uo+Rc+VCCRbC1C2+RL输出端总要接上一定的负载。第54页/共94页 交流通路 +-ui-uo+Rc+VCCRbC1C2+RL2、交流负载线动态信号遵循的负载线 RbRc+uo-RL+ui-ict其中：交流负载线的斜率 必过Q点 第55页/共94页iC(mA)2043212 4 6 8 10 12 uCE(V)0IB=40 A6080100直流Q交流 必过Q点 交流负载线的斜率 注意：（1）直接耦合，交、直流负载线是一条。（2）阻容耦合，只有空载时，交、直流负载线重合。第

16、56页/共94页iC(mA)2043212 4 6 8 10 12 uCE(V)0IB=40 A6080100直流Q交流由斜率 定出的负载线称为直流负载线；它由直流通路决定，反映了静态时电路的工作状态；由斜率 定出的负载线称为交流负载线；它由交流通路决定；表示动态时工作点移动的轨迹。由于 所以 故交流负载线比直流负载线更陡，结果使放大能力降低。UoppUopp最大不失真输出电压变小。第57页/共94页图解分析法动态工作情况第58页/共94页电压放大倍数Au1221电压放大倍数电流放大倍数衡量放大电路放大能力的重要指标第59页/共94页静态工作点与波形失真的关系第60页/共94页最大不失真输出电

17、压:为了使其尽可能大，应将Q 点设置在负载线的中点:第61页/共94页%、图解法的适用范围 图解法能够直观形象地反映晶体管的工作情况，便于对放大电路工作原理的理解。做图麻烦，易产生误差。必须实测所用管的特性曲线，适用于分析输出信号幅值较大且工作频率不太高的情况。多用于分析Q点位置、和失真情况优点：缺点：适用范围且曲线只反映低频时的电压电流关系；第62页/共94页%基本共集放大电路电路的组成 +ui-T+uo-+-T+uo-+-+ui-交流通路电路的组成%共基放大电路+ui-T+uo-+T+ui-+uo-交流通道 第63页/共94页共射 共集 共基 放大电压 放大电流 放大电流 放大电压 Au大

18、 Au1 Au大 反相 同相 同相 Ri 中 Ri 大 Ri 小 Ro 大 Ro 小 Ro 大 频带窄 频带窄 频带宽 三种接法的比较第64页/共94页13 集成运算放大器高性能的直接耦合多级放大电路，简称集成运放。13.1 集成运算放大器(1)级间采用直接耦合方式；用有源器件取代电阻；(2)相邻元件具有良好的对称性，受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以大量采用各种差分放大电路(作输入级)和恒流源电路（作偏置电路或有源负载)；(3)不同形式的集成电路，只增加元件不增加工序，通常用复杂的电路形式来实现提高各方面性能的目的；(4)常采用复合管1 集成运放的组成和工作原理第65页/共94页2

19、集成运放电路的组成及其各部分的作用输入级一般为差分放大电路中间级主放大级，多为有源负载的共射(源)电路输出级互补输出电路，带载能力强偏置电路电流源电路，为各级提供合适静态工作点输入级偏置电路中间级输出级+uo uiduP uNuo减少温漂第66页/共94页3集成运放的电压传输特性+AoduPuNuO输出电压与两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即线性区域：Aod为差模开环放大倍数非线性区域：输出电压只有两种可能：+UOM或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。uOuP-uNUOM-UOM几十万倍第67页/共94页参数 典型数值 理想值Ri i+=0=i-uo=A(u+-u-)=AudA u+=

20、u-（2）、运放电路模型（1）、运放电路符号（3）、运放特点+-U+U同相输入端反相输入端+-u+u-uoRiRo-+A(u+-u-)i+i-虚断虚短第68页/共94页 电子电路将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响输入量的措施称为反馈。反馈放大电路可用方框图表示:+放大电路反馈网络反向传输正向传输从输入端到输出端从输出端到输入端净输入量输入量反馈量4、由运算放大器构成的反馈放大器第69页/共94页（1）反馈分类及判断按照对净输入信号的影响，分为正反馈和负反馈按照反馈信号所取的输出信号不同，分为电压反馈 和电流反馈按照反馈信号加在输入回路的形式，分为串联反馈 和并联反

21、馈按照反馈所含有的信号，分为直流反馈和交流反馈+放大电路反馈网络第70页/共94页（2）、有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路，并由此影响了放大电路的净输入，则表明电路中引入了反馈。+ui-T+uo-Rb1RbRcC2C1+VCC无+ui-T+uo-Rb1Rb2RcReC2C1Ce+VCC有+A ui uo 无+A ui uo R1 R2 有+A ui uo R 无第71页/共94页（3）、负反馈和正反馈1.负反馈 使放大电路净输入量减小的反馈，或使输出量的变化减小的反馈。2.正反馈 使放大电路净输入量增大的反馈，或使输出量的变化增大的反馈。正反馈和负反馈的判断法之

22、一：瞬时极性法ui uo R1 R2+A2 在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的极性，可用“+”、“-”或“”、“”表示。第72页/共94页 按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。ui uo R1 R2+A2+uf ud 负反馈 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。瞬时极性法+A ui uo R1 R2 uf +ud 正反馈 瞬时极性法第73页/共94页5、集成运放的种类及选择(1)、按工作原理分类 电压放大型 电流放大型 跨导型 互阻型 (2)、按可控性分类 可变增益运放 选通控制运放 (3)、按性能指标分类 高阻型 高速型 高

23、精度型 低功耗型 高压型(4)、运放的选择 信号源的性质 负载的性质 精度要求 环境条件 根据:第74页/共94页6.集成运放的使用%、使用时必做的工作 (1)、集成运放的外引线 金属壳封装 (F007)12345678双列直插式封装 (LM741)1 2 3 48 7 6 5 LM741 2反相输入端3同相输入端6输出端4负电源端7正电源端1、5外接调零电位器 8闲置端8脚、10脚、12脚、16脚 单运放、双运放、四运放 (2)、参数测量 (3)、调零或调整偏置电压 (4)、消除自激振荡 第75页/共94页%、保护措施 (1)、输入保护 防止输入差模信号幅值过大 +A D1 D2 R 防止输

24、入共模信号幅值过大 A+D1 +V D2 -V R(2)、输出保护 +A DZ R(3)、电源端保护A+D1 +VCC D2 -VCC 第76页/共94页运算放大器的应用一、运算放大器的开环应用 当集成运放处于开环状态或引入正反馈时，由于运放的开环放大倍数很大，使在运放的两个输入端之间有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和，使运放工作在非线性区。利用这一特性，运放可以作电压比较器，信号发生器等。第77页/共94页电压比较器电路集成运放处于开环状态或引入正反馈 +A uP uN uo 反馈通路 +A uP uN uo ouP-uN uo-UOM +UOM 虚短？虚断？第78页/共94页%、

25、电压比较器的种类1、单限比较器 一个阈值电压UT 增大或减小的过程中只要通过UT，uo都会发生跃变。+UOM -UOM 2、滞回比较器 两个阈值电压ouP-uN uoUT1 UT2 uI和过程中，uo发生跃变对应的阈值电压不同。+UOM -UOM 3、窗口比较器 两个阈值电压uI单方向变化时，在通过不同的阈值电压时，uo产生两次跃变。ouP-uN uoUT1 UT2 +UOM 第79页/共94页1 单限比较器（1）、过零比较器 阈值电压 UT=0 ui uo+A oui uo+UOM -UOM ui uo+A oui uo-UOM +UOM 反相输入 同相输入 输入输出端加保护电路 ui uo

26、+A Rui uo+A DZ Rui uo+A DZ R第80页/共94页（2）、一般单限比较器 ui uo+A DZ RR1 R2 UREF NP参考电压 当uN=nP=0时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。oui uoUT +UZ1 -UZ2 第81页/共94页二、运放的线性应用构成反馈放大电路 为实现输出电压与输入电压的某种运算关系，集成运放应工作在线性区，因而电路中必须引入负反馈，且为了稳定输出电压，均引入电压负反馈。虚短和虚断是分析运算电路的基本出发点。NPuNuPuOAiPiN反馈网络第82页/共94页基本运算电路比例运算电路加减运算电路 反相比例 同相比例 电压跟

27、随器反相输入求和同相输入求和双端输入求和积分、微分对数、指数其他单输入多输入电容三极管第83页/共94页%比例运算电路反相比例运算电路1、基本电路补偿电阻，虚短虚断虚地输出电阻：输入电阻：电压并联负反馈第84页/共94页若要Ri100k，比例系数为-100，R？Rf？+_ 使用阻值较小的电阻，获得较大的比例系数和较大的输入电阻，是实际应用的需要。第85页/共94页虚短虚断2 比例运算电路同相比例运算电路 电压串联负反馈第86页/共94页#比例运算电路电压跟随器此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能比射极输出器好得多。第8

28、7页/共94页A1:同相比例运算电路A2:反相比例运算电路解：第88页/共94页3.加减运算电路-反相输入求和电路虚短虚断平衡电阻R4=R1/R2/R3/Rf第89页/共94页可采用叠加原理：短路第90页/共94页4 积分和微分运算电路(1)、积分运算电路当输入信号是常量时，得求解t1到t2时间段的积分值+-第91页/共94页移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能:1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分波形变换第92页/共94页(2)、微分运算电路限制输入电流限制输出电压幅值滞后补偿+-第93页/共94页感谢您的观看。第94页/共94页